TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Nghiên cứu, phân tích và đánh giá hiệu quả sử dụng máy

chụp căt lớp 320 lớp hình ảnh động - Aquilion One- Toshiba

tại Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Bộ Quốc Phòng

BÙI ĐỨC THẾ

Ngành: Kỹ thuật y sinh

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Trần Anh Vũ

Viện: Điện tử viễn thông

Chữ ký của GVHD

HÀ NỘI, 11/2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học do chính tôi thực hiện trên cơ sở

nghiên cứu các tài liệu, thu thập các thông tin và quan sát, nghiên cứu giải pháp

công nghệ mới trong khai thác vận hành trang thiết bị y tế trong điều trị. Các số

liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực. Các tư liệu, tài liệu được sử

dụng có nguồn dẫn rõ ràng.

Tác giả

Bùi Đức Thế

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi kính gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Giáo viên hướng dẫn TS. Trần

Anh Vũ đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện tốt nhất giúp đỡ tôi trong suốt quá

trình thực hiện đề tài.

Trân trọng cảm ơn các Thầy giáo, Cô giáo trong Viện Điện tử Viễn thông –

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã truyền đạt kiến thức, phương pháp nghiên

cứu khoa học và tạo mọi điều kiện cần thiết để tác giả có thể triển khai và hoàn

thành đề tài đúng yêu cầu.

Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các tác giả của các công trình, bài viết có

liên quan đã làm cơ sở lý luận cho đề tài. Trân trọng cảm ơn Bệnh viện Trung ương

Quân đội 108 và các đồng nghiệp đã cung cấp tư liệu, số liệu, hỗ trợ tác giả tiếp cận

các tài liệu để thực hiện đề tài.

Tôi cũng rất biết ơn những người thân trong gia đình đã luôn động viên, hỗ trợ

tôi nhiều mặt trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.

Tác giả rất mong muốn nhận được sự hướng dẫn và đóng góp ý kiến của Quý

Thầy, Cô để hoàn thiện đề tài và rút kinh nghiệm cho những lần nghiên cứu về sau

này.

Xin trân trọng cảm ơn./.

Tác giả

Bùi Đức Thế

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii

MỤC LỤC ................................................................................................................ iii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ...................................................................... vi

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU ...................................................................... vii

LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................... 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TIA X .................................................................. 3

1.1. Các khái niệm về tia x .................................................................................... 3

1.1.1. Lịch sử phát minh tia X .................................................................................... 3

1.1.2. Bản chất và điều kiện phát sinh tia X ............................................................. 4

1.1.3. Nguồn phát tia X ............................................................................................... 5

1.1.4. Tính chất của tia X ........................................................................................... 6

1.1.5. Sự hấp thu của tia X .......................................................................................... 8

1.1.6. Độ tương phản mô ........................................................................................... 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ VỀ CHỤP CẮT LỚP CT SCANNER .............................. 10

2.1. Giới thiệu chung ........................................................................................... 10

2.1.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 10

2.1.2. CT và chụp X quang cổ điển .......................................................................... 11

2.1.3. Lịch sử phát triển kỹ thuật chụp CT .............................................................. 13

2.1.4. Đặc điểm nổi bật của kỹ thuật chụp CT ........................................................ 15

2.2. Các thế hệ máy CT Scanner........................................................................ 16

2.2.1. Máy CT thế hệ thứ nhất .................................................................................. 16

2.2.2. Máy CT thế hệ thứ hai .................................................................................... 17

2.2.3. Máy CT thế hệ thứ ba ..................................................................................... 18

2.2.4. Máy CT thế hệ thứ tư...................................................................................... 18

2.2.5. Máy CT thế hệ thứ 5 ....................................................................................... 19

2.2.6. Thế hệ thứ 6 (Chụp xoắn ốc) .......................................................................... 20

2.2.7. Thế hệ thứ 7 (đa lát cắt) ..................................................................................

2.3. Phương thức thu thập dữ liệu ..................................................................... 22

2.3.1. Hạn chế ảnh hưởng của bức xạ thứ cấp ......................................................... 23

2.3.2. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cảm biến ........................................... 24

2.4. Cơ sở tạo ảnh CT ......................................................................................... 24

2.4.1. Ảnh CT là gì .................................................................................................... 24

2.4.1.1.Chỉ số CT – Đơn vị Hounsfield ......................................................... 24

2.4.1.2. Hiển thị ảnh CT ................................................................................. 26

2.4.1.3. Windowing ........................................................................................ 27

2.4.1.4. Cửa sổ đôi ......................................................................................... 29

2.4.2. Nguyên lý tạo ảnh CT ..................................................................................... 30

2.4.2.1. Giới thiệu và tổng quan ..................................................................... 30

2.4.2.2. Quá trình chụp ảnh cắt lớp ................................................................ 32

2.4.2.3. Tiền xử lý và hậu xử lý ..................................................................... 34

2.4.2.4. Những thuật toán dựng ảnh ............................................................... 35

2.4.2.5. Lựa chọn thuật toán ........................................................................... 39

2.5. Các thông số chất lượng ảnh ....................................................................... 39

2.5.1. Thế nào là một ảnh tốt .................................................................................... 39

2.5.2. Độ tương phản và độ phân giải ...................................................................... 39

2.5.2.1. Độ tương phản ................................................................................... 39

2.5.2.2. Độ phân giải ...................................................................................... 41

2.5.3. Nhiễu ............................................................................................................... 43

2.5.3.1. Nguyên nhân của nhiễu ..................................................................... 44

2.5.3.2. Những nhân tố ảnh hưởng ................................................................. 44

2.5.4. Độ sắc nét ảnh ................................................................................................. 48

2.5.4.1. Các nhân tố ảnh hưởng ..................................................................... 48

2.5.4.2. Chiều dày lát cắt ................................................................................ 48

2.5.4.3. Thuật toán nâng cấp đường bờ .......................................................... 49

2.5.5. Nhiễu artifacts ................................................................................................. 50

2.5.5.1. Nguyên nhân từ chùm tia .................................................................. 51

2.5.5.2. Nguyên nhân của người bệnh ........................................................... 51

2.5.5.3. Nguyên nhân của hệ thống đo và định mức giá trị ........................... 51

2.5.5.4. Nguyên nhân từ film ......................................................................... 52

2.5.6. Những nhân tố khác ........................................................................................ 53

2.5.6.1. Trường hiển thị FOV (Field of view) ............................................... 53

2.5.6.2. Những chỉ dẫn bệnh nhân .................................................................

2.5.6.3. Độ nhạy đường viền .......................................................................... 53

2.5.6.4. Liều tia đường viền ........................................................................... 54

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ MÁY CHỤP CÁC LỚP CT 320-TOSHIBA,

SƠ ĐỒ CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÍ .................................................................. 55

HOẠT ĐỘNG .......................................................................................................... 55

3.1. Tổng quan về máy chụp CT 320 -TOSHIBA ............................................ 55

3.1.1. Tổng quan ........................................................................................................ 55

3.1.2. Ưu điểm của máy ............................................................................................ 56

3.1.3. Chỉ định chụp trong một số trường hợp của máy ......................................... 57

3.2. Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy CT320 .......................... 57

3.2.1. Sơ đồ khối của máy CT320-TOSHIBA ........................................................ 57

3.2.2. Nguyên lý hoạt động của máy CT 320 .......................................................... 58

3.3. Chức năng hoạt động từng khối ................................................................. 59

3.3.1. Giàn quay (Gantry) ......................................................................................... 59

3.3.2. Bóng X-Quang ................................................................................................ 60

3.3.3. Ống chuẩn trực ................................................................................................ 64

3.3.4. Khối cảm biến thu nhận và biến đổi thông tin .............................................. 65

3.3.5. Bộ chổi quét và vành trượt ............................................................................. 69

3.3.6. Bàn điều khiển ................................................................................................ 70

3.3.7. Bàn bệnh nhân ................................................................................................. 70

3.3.8. Hệ thống nguồn ............................................................................................... 71

3.3.8.1. Khối chuyển đổi nguồn xoay chiều 3 pha 200V ............................... 72

3.3.8.2. Khối chuyển đổi điện (Inverter Unit (INV) ...................................... 73

3.3.8.3. Khối biến thế cao áp HV Mutilier control (HV) ............................... 74

3.3.9. Khối thu nhận thông tin .................................................................................. 75

3.3.10. Động cơ truyền động trực tiếp ..................................................................... 76

CHƯƠNG 4: NHỮNG ƯU ĐIỂM VÀ HIỆU QUẢ TRONG LÂM SÀNG

CHẨN ĐOÁN KHI SỬ DỤNG HỆ THỐNG CHỤP 320 HÌNH ẢNH ĐỘNG

TẠI BỆNH VIỆN TƯQĐ 108 – BỘ QUỐC PHÒNG .......................................... 78

4.1. Giới thiệu chung: ......................................................................................... 78

4.2. Đánh giá hiệu quả lâm sàng của hệ thống máy CT320 ............................ 82

4.2.1. Về thời gian chụp và ảnh hưởng trực diện bệnh nhân: ................................. 82

4.2.2. Vai trò đặc biệt trong chẩn đoán và điều trị U gan bằng phương pháp tắc

mạch xạ trị với hạt vi cầu gắn Yttrium-90. .............................................................. 83

4.2.3. Hiệu quả trong chẩn đoán can thiệp mạch vành: .......................................... 83

4.2.4. Hiệu quả trong nghiên cứu đánh giá tưới máu cơ tim. ................................. 85

4.2.5. Cấp cứu thành công một bệnh nhân chảy máu tiêu hóa cấp tính mức độ

nặng do u ruột non nhờ chụp CT320 ....................................................................... 86

KẾT LUẬN .............................................................................................................. 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 92

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

AC: Alternating Current

ADC: Analog Digital Converter

AEC: Automatic Exposure Control

ART: Algebraic Reconstruction Technique

CT: Computed Tomography

CPU: Central Processing Unit

CAT: Computed Axial Tomography

DAS: Data Acquisition System

D-con: Display console

GTS: Gantry Translation Stage

HV: Hight Voltage

HE: Heat Exchanger

HU: Hounsfield Unit

INV: Inverter Unit

ILST: Iterative Least Squares Technique

IDD: Image Data Disk

MRI: Magnetic Resonance Imaging

MTF: Modulation Transfer Function

Recon box: Reconstruction box

RDD: Raw Data Disk

ROI: Region of Interest

FOV: Field of View

SBC: System Control Board

S-con: Scan Console

SCRT: Surecom Rotational Tranfer

SCB: System Control Board

vii

DANH MỤC SƠ ĐỒ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1. Đồ thị sự giảm cường độ chùm tia khi tăng độ dày vật cản........................ 7

Hình 2.1. Hình ảnh máy chụp CT Scaner ................................................................. 11

Hình 2.2. So sánh hai phương pháp X quang truyền thống và CT ........................... 12

Hình 2.3. Ảnh X quang (dọc cơ thể) và ảnh CT (ngang cơ thể) ............................... 12

Hình 2.4. Hai nhà bác học được nhận giải Nobel Y học (Godfrey N. Hounsfield và

Allan M. Cormack) vì những đóng góp cho sự phát triển máy chụp cắt lớp điện toán

................................................................................................................................... 14

Hình 2.5. Máy CT thế hệ thứ nhất ............................................................................ 16

Hình 2.6. Máy CT thế hệ thứ hai .............................................................................. 17

Hình 2.7. Máy CT thế hệ thứ ba ................................................................................ 18

Hình 2.8. Máy CT thế hệ thứ tư ................................................................................ 19

Hình 2.9. Máy CT thế hệ thứ năm loại bóng X quang anode nhiều rãnh, mặt cắt dọc

................................................................................................................................... 19

Hình 2.10. Máy CT thế hệ thứ năm loại bóng Xquang anode nhiều rãnh, mặt cắt

ngang ......................................................................................................................... 20

Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động của hệ thống chụp cắt lớp điện toán thứ sáu ......... 21

Hình 2.12: Nguyên lí hoạt động của hệ thống chụp cắt lớp điện toán thế hệ thứ bảy

................................................................................................................................... 22

Hình 2.13. Hạn chế bức xạ thứ cấp ứng dụng hộp (lá) chuẩn trực trong máy quét

chùm tia rẻ quạt (a) và máy quét vòng cảm biến (b)................................................. 23

Hình 2.14. Trị số CT của nước, không khí và các cơ quan khác nhau ..................... 25

Hình 2.15. Ma trận ảnh ............................................................................................. 27

Hình 2.16. Pixel và Voxel ......................................................................................... 27

Hình 2.17. Xử lý bằng cửa sổ đơn ............................................................................ 28

Hình 2.8. Độ rộng của cửa sổ ảnh hưởng đến chất lượng ảnh ................................. 29

Hình 2.19. Xử lý bằng cửa sổ đôi ............................................................................. 30

Hình 2.20. Quét pha của định dạng ảnh CT .............................................................. 30

Hình 2.21. Từ dữ liệu quét tái tạo thành ảnh số ........................................................ 31

Hình 2.22. Chuyển đổi ảnh số tới ảnh mức xám ....................................................... 32

Hình 2.23. Hình ảnh của một quá trình quét toàn cảnh ............................................ 32

Hình 2.24. Quá trình quét cắt lớp .............................................................................. 33

Hình 2.25. Minh họa việc lựa chọn bề dày lớp cắt ................................................... 34

Hình 2.26. Phương pháp tính lặp ..............................................................................

viii

Hình 2.27. Phương pháp chiếu ngược ....................................................................... 37

Hình 2.28. Phương pháp chiếu ngược có lọc ............................................................ 38

Hình 2.29. So sánh hai phương pháp chiếu ngược và chiếu ngược có lọc ............... 38

Hình 2.30. Đo MTF sử dụng chức năng 1 điểm không gian được tạo nên bằng một

sợi mảnh .................................................................................................................... 42

Hình 2.31. Quan hệ giữa nhiễu và mAs .................................................................... 44

Hình 2.32. Ảnh khi đặt 280 mAs và đặt 140 mAs .................................................... 45

Hình 2.33. Ảnh khi đặt điện áp ở 80kV, 100kV, 120kV và 140kV ......................... 45

Hình 2.34. Mối quan hệ giữa nhiễu và chiều dày lát cắt ........................................... 46

Hình 2.35. Ảnh thu với chiều dày lát cắt là 0.9mm và 1.4mm ................................. 46

Hình 2.36. Quan hệ giữa N và µ ............................................................................... 47

Hình 2.37. Ảnh thu được khi kích thước bệnh nhân khác nhau. .............................. 47

Hình 2.38. Quan hệ giữa N và Alg ............................................................................ 48

Hình 2.39. Quan hệ giữa bề dày lát cắt SH và độ sắc nét ảnh S ............................... 49

Hình 2.40. Ảnh thu với độ dày lát cắt 8mm và ảnh 1mm ......................................... 49

Hình 2.41. Quan hệ giữa N và Alg ............................................................................ 50

Hình 2.42. Ảnh khi chụp cùng một vị trí với việc lựa chọn thuật toán khác nhau ... 50

Hình 2.43. Ảnh bị nhiễu vệt sọc và ảnh bị nhiễu vòng ............................................. 51

Hình 2.44. Trường hiển thị của vùng não ................................................................. 53

Hình 2.45. Các độ nhạy đường viền cho các lát cắt có độ dày là 0.5mm, 1mm và

2mm ........................................................................................................................... 54

Hình 3.1: Máy chụp CT 320 Aquilion ONE của hãng Toshiba ................................ 55

Hình 3.2. Sơ đồ khối của máy ................................................................................... 57

Hình 3.3. Cấu trúc Gantry của máy CT320-TOSHIBA ............................................ 59

Hình 3.4. Cấu tạo bóng X-Quang.............................................................................. 60

Hình 3.5. Cấu tạo bộ tản nhiệt................................................................................... 64

Hình 3.6. Cấu tạo bộ chuẩn trực ............................................................................... 65

Hình 3.7. Cấu tạo của phần tử cảm biến trạng thái rắn ............................................. 66

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của 1 cảm biến ............................................... 66

Hình 3.9. Sơ đồ bố trí khối cảm biến ........................................................................ 68

Hình 3.10 Sơ đồ chiều đi của dòng dữ liệu ...............................................................

Hình 3.11. Khối chổi quét ......................................................................................... 70

Hình 3.12. Sơ đồ cấp nguồn cao thế cho bóng X-Quang .......................................... 71

Hình 3.13. Sơ đồ khối chuyển đổi nguồn xoay chiều 3 pha 200V ........................... 72

Hình 3.14. Sơ đồ điều khiển khối biến đổi điện ........................................................ 73

Hình 3.15. Khối biến đổi điện Inverter Unit (INV) .................................................. 74

Hình 3.16. Sơ đồ bố trí sensor cảm biến nhiệt .......................................................... 74

Hình 3.17. Sơ đồ hoạt động của khối cao thế (HV) .................................................. 75

Hình 3.18. Khối thu nhận và xử lí dữ liệu ảnh .......................................................... 75

Hình 3.19. Cấu tạo hệ thống quay Gantry ................................................................. 77

Hình 4.1. Hệ thống máy chụp CT320 - Gantry và bàn bệnh nhân ........................... 79

Bảng 4.1: Một số so sánh giữa chụp can thiệp và chụp CT320 ................................ 82

Bảng 4.2: Mức độ chính xác của chụp CLVT 320 dãy động mạch vành trước và sau

phân tích tưới máu cơ tim (n=12) ............................................................................. 86

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi mà nền kinh tế đã phát triển, trình độ nhận thức của con người

được nâng cao thì nhu cầu chăm sóc và bảo vệ sức khỏe ngày càng được quan tâm

nhiều hơn. Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật trên thế giới nói chung và ở

nước ta nói riêng lĩnh vực thiết bị y tế chăm sóc sức khỏe con người luôn được đầu

tư và quan tâm một cách thích đáng. Một trong những bộ phận nhỏ được ứng dụng

vào y tế đó là hệ thống thiết bị chẩn đoán hình ảnh. Thiết bị này đang được dần

trang bị cho các bệnh viện nhằm phục vụ nhu cầu khám và chữa bệnh. Các thiết bị

đó ngày càng được hoàn thiện về tính năng và sự tiện dụng. Nó đã và đang giúp ích

rất nhiều cho bác sỹ chuẩn đoán chính xác các bệnh.

Trong các bệnh viện Việt Nam hiện nay, kể cả các bệnh viện trong và ngoài

Quân đội đã được quan tâm đầu tư về các hệ thống hệ thống chẩn đoán hình ảnh,

trong đó đặc biệt là các hệ thống chụp CT Scaner. Tuy nhiên, số lượng các hệ thống

chụp cắt lớp CT không nhiều, số lượng vẫn còn thiếu, chưa đủ để phục vụ nhu cầu

khám bệnh của người dân, bên cạnh đó giá chiếu chụp vẫn còn đắt so với người dân

lao động.

Bản thân tôi hiện đang công tác tại Bệnh Viện Trung Ương Quân Đội 108,

một bệnh viện tuyến cuối của toàn quân có rất nhiều máy móc hiện đại để phục vụ

công tác chăm sóc sức khoẻ cho quân và nhân dân và là đơn vị được đầu tư khá

nhiều trang thiết bị hiện đại. Một trong những thiết bị đó là máy chụp cắt lớp

CT320-TOSHIBA. Đây có thể coi là 1 trong những thiết bị mới và hiện đại nhất

trong hệ thống thiết bị chuẩn đoán hình ảnh ở nước ta cũng như ở khu vực Đông

Nam Á. Nó giúp các sĩ đạt hiệu quả cao trong công tác khám và điều trị. Máy CT

320 có rất nhiều ưu điểm như với tốc độ quay của bóng lớn, khoảng che phủ rộng

cho phép chụp tim trong một nhịp đập và chụp toàn não trong một vòng quay của

bóng. Chính vì vậy thời gian thăm khám được rút ngắn, liều tia X thấp và giảm

lượng thuốc cản quang, giúp bệnh nhân ít bị ảnh hưởng bởi phóng xạ. Với hệ thống

chụp thì hình ảnh vùng thăm khám được thể hiện rõ nét hơn, tạo ra được các lớp cắt

trong cơ thể giúp bác sỹ dễ dàng chẩn đoán hơn.

Xuất phát từ tình hình này, tôi đã quyết định thực hiện đồ án “Nghiên cứu,

phân tích và đánh giá hiệu quả sử dụng máy chụp căt lớp 320 lớp hình ảnh động

- Aquilion One - Toshiba tại Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Bộ Quốc

Phòng”.

Với hi vọng đồ án của mình sẽ cung cấp cho mọi người những hiểu biết cơ

bản nhất về hệ thống máy chụp cắt lớp, đặc biệt là hệ thống chụp cắt lớp 320 hình

ảnh động Toshiba - Aquilion one. Ngoài mục đích chung của đồ án là Nghiên cứu

và đánh giá hiệu quả của máy CT 320 lớp hình ảnh động, thấy rõ hiệu quả của thiết

bị trong áp dụng thăm khám, bản thân tự học hỏi nâng cao thêm trình độ kỹ thuật, từ

đó áp dụng các kiến thức đã học vào thực tế nhằm bảo dưỡng, sửa chữa, bảo trì thiết

bị một cách khoa học, kịp thời và khai thác tối đa tính năng sử dụng của máy đáp

ứng cho nhu cầu của các khoa lâm sàng.

Đồ án được thực hiện dưới của thầy giáo, Tiến sỹ Trần Anh Vũ - giảng viên

Bộ môn Điện tử y sinh, Trung tá - kỹ sư Phạm Quang Chiến - Kỹ sư Khoa Trang bị

Bệnh Viện TƯQĐ 108 cùng các đồng chí đồng nghiệp trong khoa.

Về cơ cấu nội dung của đồ án gồm 4 chương:

Lời nói đầu.

Chương I : Các khái niệm về tia X

Chương II : Cơ sở chụp CT Scaner

Chương III : Giới thiệu về máy CT 320 hình ảnh động Aquilion One - Toshiba

Chương IV : Quy trình của máy.

Chương V : Tình hình sử dụng vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa thực tế tại

bệnh viện TƯQĐ 108 và đánh giá hiệu quả sử dụng

Do máy chụp cắt lớp CT 320 lớp hình ảnh động là một thiết bị mới, tài liệu kỹ

thuật về máy gần như không có và tài liệu sử dụng chủ yếu là tiếng anh. Mặc dù bản

thân đã rất cố gắng nhưng cũng khó tránh được những thiếu sót nhất định, tôi rất

mong được sự quan tâm góp ý của thầy giáo và tất cả các đồng chí

Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Tiến

sỹ Trần Anh Vũ, và các anh em đồng nghiệp trong Khoa Trang Bị - Bệnh viện

TƯQĐ 108 đã tận tình hướng dẫn, động viên, quan tâm giúp đỡ tôi trong quá tình

thực hiện đồ án.

Hà nội, ngày 25 tháng 5 năm 2019

Người thực hiện: Bùi Đức Thế

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TIA X

1.1. Các khái niệm về tia x

1.1.1. Lịch sử phát minh tia X

Vào những năm cuối thế kỷ 18, nhiều nhà bác học đã nghiên cứu sự phóng

điện qua khí kém và đã phát hiện ra tia âm cực. Và trong khi nghiên cứu những tính

chất của tia âm cực ( còn gọi là tia Bêta), tức là chùm tia điện tử xuất phát từ

Cathode thì Rơnghen đã phát hiện ra tia X vào năm 1895. Nó đã làm kinh ngạc cả

ông và tất cả mọi người vào thời điểm đó. Thực chất ông ta không đi tìm kiếm con

đường nhìn vào trong thân thể người mà không cần phẫu thuật. Khi ông ta đã kiểm

tra các tia âm cực của một đèn điện cực chân không, ông ta để ý thấy những sự biến

đổi xuất hiện trong chất liệu ảnh, không liên quan trực tiếp vào các thí nghiệm của

ông ta. Tất cả chỉ là sự tình cờ mà phát hiện ra tia X. Với sự ham hiểu biết và lòng

nhiệt tình của mình đã thôi thúc ông ta hành động và từ sự phát hiện tình cờ hướng

ông tới việc nghiên cứu sâu hơn.

Ông đã khám phá ra rằng tia X có những đặc điểm sau:

• Làm cho Bari Platincyanua phát ra huỳnh quang.

• Nó ảnh hưởng đến các chất bắt ánh sáng trên mặt phim ảnh.

• Nó phóng ra làm ion hoá vật chất các đối tượng.

• Làm trong suốt hoá một số chất.

• Có thể trực chuẩn trong các ống chuẩn trực.

• Nó được tạo ra bởi một đèn chân không năng lượng cao.

• Nó được tạo ra với hiệu suất cao hơn bởi các nguyên tố có số nguyên tử Z lớn.

• Trong vòng 2 tuần sau khi khám phá ra chúng, tia X đã được sử dụng

trong chuẩn đoán y tế, và chúng đã trở nên cần thiết không thể thiếu được

trong chẩn đoán y tế thậm chí cho đến tận ngày nay.

Sự ra đời của thiết bị chẩn đoán X-quang là một bước ngoặt lớn trong ngành y

tế, nó có thể được so sánh với sự kiện ra đời động cơ đốt trong trong khoảng hai thế

kỷ trước.

Tuy nhiên, có những vấn đề mà Rơnghen chưa khám phá ra, và phải mất 50

năm sau các nhà khoa học mới đánh giá đầy đủ là tia X có thể nguy hiểm nếu không

sử dụng hợp lý và nó có thể gây ra bệnh ung thư.

Qua nhiều năm thiết bị X quang đã không ngừng được hoàn thiện. Mục tiêu

của các kỹ sư đầu ngành là:

• Cải thiện chất lượng của ảnh.

• Nâng cao độ tương phản giữa các mô khác nhau.

• Cải thiện kích cỡ độ phân giải.

• Giảm tới mức thấp nhất liều lượng bức xạ tới người bệnh.

1.1.2. Bản chất và điều kiện phát sinh tia X

a - Bản chất của tia X

Tia X là một dạng sóng điện từ nên có đầy đủ tất cả các tính chất của dao động

sóng, nhưng những tính chất này chỉ biểu hiện ở những điều kiện nhất định.

Để thu được tia X người ta dùng các ống Rơnghen có cấu tạo cathode được

nung nóng, đã là nguồn phát sinh ra điện tử và anode. Giữa anode và cathode có

một điện áp cao. Khi các điện tử bị hãm đột ngột do va chạm với các nguyên tử của

vật chất cấu tạo anode, các tia rơnghen sẽ xuất hiện.

Tất cả các sóng điện từ (còn gọi là dao động điện từ) đều có đặc điểm chung là

lan truyền trong chân không với tốc độ:

c =300.000 km / sec.

Ba đại lượng đặc trưng của sóng điện từ là:

- Chu kỳ T: là thời gian hoàn thành một dao động.

- Tần số f: là số chu kỳ trong một sec.

- Bước sóng: là quãng đường đi trong một chu kỳ.

Như vậy:

Và

Tia X có bước sóng rất ngắn, vào khoảng:

λ=2.10

-8

+0,6.10

-10

cm = 2+0,6.10

-2

(ăngstrong 1A

=10

-8

)

Và năng lượng, ta có công thức sau:

Với h: là hằng số Plant

Như vậy bước sóng λ cần giảm thì năng lượng E càng lớn, tức là khả năng

đâm xuyên của tia càng lớn. Theo trình tự bước sóng λ giảm dần và năng lượng E

tăng dần, ta có bảng sau:

STT Dạng sóng Bước sóng trung b×nh

1 Sóng Radio (vô tuyến)

- Dài

- Ngắn

- Cực ngắn

- Truyền hình

Nghìn mét, trăm mét

Trăm mét

Chục mét

Mét

2 Hồng ngoại 90 m

3 Ánh sáng đỏ 0,8 m

4 Ánh sáng tím 0,4 m

5 Tử ngoại 0,1 m

6 Tia X 1 - 0,6.10

-2

7 Tia 2.10

-2

8 Tia vũ trụ Phần nghìn A

b – Điều kiện phát sinh ra tia X

Để có tia X thì phải có những hạt vi thể dưới tác đông của điện thế giữa

anode và cathode, bắn phá vào nguyên tử (vật chất anode). Tức là phải có những

điện tử đập vào nguyên tử, khi các điện tử bị hãm đột ngột do va chạm với nguyên

tử của vật chất cấu tạo anode, các tia X sẽ xuất hiện khi đó xuất hiện hai bức xạ tia

X, bức xạ hãm và bức xạ đặc trưng.

1.1.3. Nguồn phát tia X

Nguồn phát tia X đơn giản là từ một điốt ống chân không kín bằng thuỷ tinh

bao gồm một Catốt khi nung nóng phát ra các electron và một Anốt chặn các tia

electron đó. Catốt được nung bằng sợi đốt, một Anốt và một ống thuỷ tinh chân

không kín . Điện áp VF nguồn sợi đốt sinh ra dòng IF chạy xuyên qua lõi sợi đốt,

đốt nóng tấm kim loại của catốt. Electron trong catốt được nung nóng bứt ra khỏi

tấm kim loại của catốt đi vào trong chân không. Điện áp anốt V

đủ lớn để các

electron này tạo thành dòng tia I

. Điện áp V

trên ống tia là rất lớn, có thể lên đến

trên 100 kV. Điện áp cao này đẩy electron tới vận tốc cao. Gần 1% các electron trên

khi tới anốt va chạm với các nguyên tử và sinh ra các tia X. Sau đó các tia X đi

xuyên qua ống vào trong không khí. 99% các electron còn lại tạo thành năng lượng

nhiệt.

Để hiểu các tia X được sinh như thế nào đầu tiên phải xem xét đến các dòng

tia điện tử. Điện tử được thoát ra khỏi catốt đốt nóng nhờ chuyển động nhiệt đem

đến cho chúng năng lượng đủ lớn để thoát ra khỏi lực liên kết nguyên tử đi vào

trong ống chân không. Giá trị của năng lượng đó gọi là chức năng làm việc EH giá

trị này phụ thuộc vào kim loại làm catốt. Giá trị của dòng tính bằng ampe sinh ra

bởi bởi sự chuyển động nhiệt, IB nhận được từ việc nghiên cứu cơ học lượng tử

như sau:

IB=C

ACT

-11600

(1.1)

Ở đây AC

là diện tích catốt tính theo m

, và C

là hệ số vật chất của catốt. Giá

trị của C

đối với vật chất khác nhau sẽ có giá trị khác nhau.

(I) Khi điện áp VA còn đủ thấp tạo ra không gian tích điện hình thành xung

quanh catốt ở trong ống chân không, dòng điện tử được theo cơ sở của vật lý lượng

tử tính theo công thức sau:

=2,33(10

-6

)

2/3

(ampe) (1.2)

Ở đây d là khoảng cách tính theo m từ catốt tới anốt, và AC là diện tích catốt

tính theo m

. Trong một ống tia X được thiết kế phù hợp, d đủ nhỏ sao cho IB<IBE

đối với tất cả các điện áp anốt của ống tia x quang y tế. Bởi vậy IB là dòng giới hạn

của ống; điều này nghĩa là IB tương ứng với giới hạn trên của dòng trong ống tia X.

Dòng IBE cho phép tính theo phương trình trên được gọi là định luật Langmuir-

Childs và mô tả dòng trong các điốt cung cấp nguồn điển hình, ở đây VA là điện áp

đủ thấp để hình thành không gian tích điện xung quanh catôt của ống.

1.1.4. Tính chất của tia X

Như vậy, qua những gì đã tìm hiểu ở trên, ta thấy tia X có những tính chất cơ

bản sau đây.

a - Tính đâm xuyên:

Do tia X có bước sóng λ rất ngắn mà có năng lượng và khả năng đâm xuyên

rất lớn. Về mặt lý thuyết thì người ta chỉ có thể làm giảm cường độ tia chứ không